（1）定义 纳米技术是定义在原子、分子层面上制造零件、涂层和构件。纳米（1nm=10-9m）范围包括单个原子、分子大小的物体和结构（图9.2-41）[1]。一个原子的大小为1/4～1/2nm，一个分子的大小约为1nm至几nm。维度（尺寸）不超过100nm的结构作为纳米工程结构的定义。微系统零件的外廓尺寸要大1000倍。为进行比较，外形没有纳米结构的莲花，由于莲花植物叶子表面结构形成莲花效应（Lotus-Effekt），叶子厚度为5～300μm。
在各个原子和各个分子之间有一个过渡范围。在这个过渡范围出现在宏观物体上至今没有观察到的现象（图9.2-42）。对漆和颜料，如通过有控制地改变它们的粒度大小就可出现不同的色彩效果。最小的纳米微粒混合物可显著改变固态物质性能，如薄膜的撕裂强度或陶瓷几乎不会破碎[6]。
（2）纳米技术的发展1959年首次由物理学家R.P.Feynman发表的纳米世界文章，终于在1981年可能在理论上揭示纳米世界。隧道扫描显微镜（STM—Scanning Tunnel Microskope）在一定距离对一个被试表面无接触扫描，这时由于量子效应，电子从被试物体表面移到显微镜尖部形成隧道电流。根据隧道电流，可以以图形的方式得到被试物体表面状况[2]。
之后，1985年验证了在纳米级范围的材料在显微镜下具有的其他性能：发现碳的新形态，它由带60～70碳原子空球形分子组成（巴基球，见图9.2-43），并形成纳米管的初始阶段。在所有已知的材料中，纳米管的抗拉强度最高且导电，而且由于它的空球形结构而能吸收其他物质。
利用发明的强磁阻（GMR—Giant Magnetoresistance）效应，1988年在原子维度（尺寸）的铁、铬涂层结构还证明它们在分子层面上的物质性能与同态物质性能不同。纳米技术将最终成为未来的技术之一。GMR效应表示涂层的导电性能与施加在涂层上的磁场强度有很大关系。这种原理已在当前的硬盘阅读头上使用，并成为纳米技术最广泛应用场合之一。
（3）工业产品 纳米技术增长的势头向工业部门提出转化科研成果和在实际中加快开发的任务，以在世界竞争中保持和扩大先导地位。目标是利用新的精密制造方法和微结构技术的方法掌握纳米领域的新边界（几百纳米）。
图9.2-42 在纳米世界中的主要性能变化
新的表面涂层法可建立功能涂层，它是基于特别薄的、带有特征功能涂层的厚度小于几百纳米的涂层。这种涂层的难点在于要将可再现、可制造的小面积涂层移植到大面积上，还需要保持几个原子层厚的公差。
在生产纳米材料时，为保证高质量，需注意材料的粒度分布应很窄。因为粒度分布越窄，越能更好地表现出纳米微粒的典型性能，如光学的、磁的、化学反应的性能。进一步制造纳米材料向工业部门提出很大挑战，如制造像有特殊性能的透明陶瓷新材料。
图9.2-43 巴基（Bucky）球
难点主要是在整个后续的生产工艺要保持所希望的产品性能。许多材料的纳米粉末的松散装料早在室温时由于它们间的扩散过程而变成较大的微粒或一起生长成牢固结合的团块[6]
（4）纳米材料 表9.2-11是有关纳米材料物理、化学和生物学的一些性能。由于纳米微粒大小效应，可有针对性调整、优化纳米材料。
表9.2-11 调整纳米材料性能实例
纳米结构反映在零件表面结构、最薄的涂层排列和晶体上。纳米材料的性能是建立在很大的表面或边界面与它的体积比，以及出现量子效应的基础上的。从气相、液相和固态物质可以制成坚实的材料。这种材料的维度是纳米级的，即按前面的定义小于100nm。
人们知道气相合成材料有多种重要方法：化学蒸发沉积（CVD）法；物理蒸发沉积（PVD）法；以气溶胶（浮质）为基础的方法，如气相冷凝法或化学蒸发冷凝法（CVC—Chemi-cal Vapour Condensation）；喷涂技术法；火焰合成法。当火焰合成法只适用于制造粉末时，也可用另外的纳米粉末或薄涂厚沉积。
从液相制造或沉积粉末和薄涂层的最重要方法是溶胶—凝胶法（Sol-Gel-Verfahren）和电化学沉积法。这两种方法还可制造纳米孔的体积固态物质。Sol-Gel工艺的工业应用领域是抗划伤油漆、抗反射涂层或厌水性的保护涂层。纳米孔的体积固态物质也可用聚合物热解法实现。还可通过激光束熔化产生超薄表面薄膜。其他重要方法是在体积固态物质上无损伤地就地制造纳米结构（In-Situ-Erzeugung），这是初次将受控的无定形材料的晶体变为纳米晶粒组分。In-Situ法对金属和合金有重要作用。纳米孔的体积固态物质还可从致密的金属体积固态物质通过电化学氧化过程得到[6]。
目前，金属氧化物（特别是二氧化硅、氧化铈、二氧化钛、氧化铝）在无机纳米微粒方面具有最大的经济定义。在催化剂方面，纳米微粒作为汽车催化转化器的载体涂层占有最大的市场份额。首先使用纳米级铝氧化物，它作为贵金属催化转化器的多孔晶格物质细微分布地沉积在就地制造纳米结构的基质上（In-Situ-Erzeugung）。纳米结构的碳微粒主要用在橡胶和颜料的填充材料中，如制造汽车轮胎的填充材料中。
下列材料可归列为“纳米复合材料”：基于聚合物的纳米复合材料、陶瓷矩阵材料、金属矩阵材料、气凝胶和沸石。
在汽车工业领域使用基于聚合物的纳米复合材料可以改善热—力学性能（阻燃、机械增强）。陶瓷矩阵材料主要改善热—力学性能、断裂韧度和改善孔材料组的热成型性（“超级塑性”）[6]。
通过陶瓷纤维增强金属材料，特别是硅化硅，还有氧化铝或氮化铝，可以制造耐高热负荷和高力学强度的金属矩阵材料。金属矩阵复合材料的纳米级金相组织达到了较高的力学强度、较高的抗疲劳性能、更好的成型性和超级塑性。用于汽车领域的纳米微粒增强钢目前正在开发中。
气凝胶是多孔性固体，每克约有600～1000m2表面积，密度为0.003～0.35g/cm3，是目前已知的最轻的固体。对汽车领域，除了工程应用材料的其他突出性能外，还对特别低的导热和降噪性能有兴趣。
与气凝胶相似，沸石是在硅酸盐基础上的多孔性固态物质，它是天然的或人工制造的，它对汽车领域并不重要[6]。
通过纳米级的涂层可以达到涂层或表面功能化（功能表面）的很多效果。在汽车领域使用纳米级涂层体系的目的是防磨损（抗划伤的塑料表面）、抗冲击（使用抗冲击涂层）、清洁表面（通过亲水或厌水表面涂层，即莲花效应）和抗反射（利用玻璃涂层的光学性能抗光线反射）。在新的保时捷卡雷拉汽车的侧窗玻璃和外反光镜上，就是通过厌水表面涂层和亲水表面涂层达到它们的表面自洁的效果。汽车上使用纳米级涂层体系还可改善材料的耐热性能和金属表面的耐腐蚀性能。
通过减法和加法制造纳米结构，并应用在如显示器光导线、打纳米标记、电子器件的电路上。提升法（Lift-off-Verfahren）（图9.2-44）属于减法。用溶剂腐蚀带有纳米功能涂层的光漆涂层基质，其中光漆涂层构成所希望的轮廓。在工艺结束，在基质上保留了定义的纳米功能涂层。这种方法适用于生产光导线，可能用作前风窗玻璃平视显示器（HUD）（图9.2-45）。电子部件的金属纳米结构的加法制造实例是电子束引起金属盐（钯醋酸盐）分解（图9.2-46）。用电子束对钯醋酸盐的纳米涂层局部处理，这时当地的钯醋酸盐转化为金属钯，它阻止接下来的蚀刻工艺[3]。
图9.2-44 提升法
(www.xing528.com)
图9.2-45 克尔维特的平视显示器
（5）汽车领域的纳米产品 在汽车开发中利用纳米技术可以完成很多创新工作，还可改善、提升已有零部件的性能。
汽车上纳米技术的应用领域是有针对性地调整零件表面性能，用纳米涂层法将所希望的功能涂层涂在轻质的、价廉的零件基体上。用铝喷涂前照灯元件以制造反射器是典型的纳米工程的转化。铝的反射性能就可移植到轻质的、几乎可以组成任意形状的前照灯反射器上。其他批量成熟的应用是仪表板仪表抗光线反射涂层和玻璃的亲水或厌水涂层。在车内后视镜上，通过电子铬纳米涂层，它的透明度可以与射入的光强相适应，以自动达到遮光效果（图9.2-47）。
图9.2-46 电子束引起钯醋酸盐分解
图9.2-47 奥迪TT汽车仪表板：左为没有抗光线反射涂层；右为有抗光线反射涂层
2001年，雪佛兰Astro和GMC Safari Midsize Van汽车的车门槛配备纳米复合材料的外件，它是带有纳米维度的白垩岩（蒙皂石）填充剂的热塑性件。在聚合物矩阵（TPO）和填充剂之间有较大的内部活动面积，在力学特征值相当时外件的重量减轻8%[4]。
在不久的将来，开发汽车平视显示器（HUD）将有重要作用。前风窗玻璃组件的部分透明的显示屏通过投影仪，在驾驶人眼睛高度给他提供直接的、不需偏转视线的仪表信息。
图9.2-48 纳米管
（6）展望 有针对性地调整纳米相金属微观结构，能使其比常规结构的金属强度大几倍，从而减轻汽车重量、节省燃料消耗。纳米相金属性能的特别之处是没有位移（没有一维晶格缺陷），因此硬度要高好几倍，但有一个延性的基本结构。纳米技术在发动机制造中的应用是利用低摩擦涂层提高寿命。
随着燃料电池的不断发展，开启了纳米技术应用的新领域。通过致密的纳米粉末或被纳米固态物质的多孔性替代可以制造有很大内表面的零件。在燃料电池中的这些内表面对储存氢气是关键。由空心的纳米纤维（纳米管）组成的氢储存罐（图9.2-48）具有毛细管作用，它使储存氢气的容量（重量）达到氢储存罐本身重量的3倍。
在未来，车身纳米涂层钢板可防腐蚀，目前则采用涂（镀）锌、底漆和漆的工艺方法。这时还可彩色地调整纳米微粒和在成型前就涂在车身钢板上，从而省去后续的涂装工艺。在汽车上的优质钢板外层表面由于表面触模引起光学轮廓而很少采用，但在使用合适的纳米涂层时则可使用它，因为在钢板表面不再看到手印。
纳米技术应用的其他方面是有纳米涂层表面的零件结合。未来，可通过定义的粗糙度小于1nm的零件表面结合替代磨光表面的冷焊接。这种技术目前已用在半导体元件上。在未来，还可将不同材料的零件结合在一起，而目前它们间需要用附加材料（胶或焊料）才能连接。
“MagneRide”概念是底盘半主动闭环控制，在2002年已成批地使用在凯迪拉克Seville STS汽车上，这是一个磁流变液体，它影响液体中的铁颗粒，使它主动控制阻尼力。这套闭环控制系统由单管减振器、传感器、电控单元组成，以改善行驶动力学和行驶舒适性。
纳米微粒的其他应用场合如轮胎，它改善轮胎内摩擦，从而提高轮胎寿命、降低燃料消耗和滚动噪声[5]。纤维的纳米涂层也是一个关注点。它将抗老化性差、易着火的天然纤维变为耐火的结构材料，用于在外部环境和高温环境工作的零件上。
前面提到的纳米技术使用领域，目前不是都已成批制造，但不少已进入消费品工业。纳米技术优化零件，成功地、大量地进入市场主要取决于能多快地提供适于大批量、价廉的生产方法和多快地改变现有纳米基础知识的不足。
未来，碳纳米管（CNT）会有很大的经济潜力。这是由于它的优异的分子性能，如特别高的抗拉强度（在分子层面上的抗拉强度约是钢的抗拉强度的100倍），以及突出的导热、导电性能。
开发功能性的压电纤维自适应材料将会取得成功。自适应材料可与它所处的、不断变化的环境相适应。其应用领域称为自适应电子技术（Adaptronik），是未来实现“线控”的主要组成部分。利用对机械变形反应并产生电信号或施加电压变形的压电材料（如铅-锆-钛酸盐—PZT），可以将这两种性能结合在一个零件上。利用溶胶-凝胶（Sol-Gel）为基础的纺织法可制造陶瓷的PZT。只要利用很少含量的PZT纤维就可制造性能优良的传感器，它能反应机械变形，如冲击、弯曲或变压。利用较高含量的PZT纤维就可实现执行器的功能[8，9]。
自适应材料技术开启汽车领域的很多应用。这种有源零件的样品可阻尼汽车中的噪声（如自适应发动机支架、车轮悬架、自适应车顶或自适应万向节轴和驱动轴）。作为电控喷油器的压电陶瓷目前已用于柴油机高压共轨系统上。
可以预料，在未来，在汽车制造业中掌握了纳米技术就是掌握了核心技术。表9.2-12表示纳米技术在汽车上的潜在应用。
表9.2-12 在汽车上，在创造价值环节的不同阶段纳米技术的潜在应用
其他参考文献
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
